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Impressum
Amarant als spurenelementreiches Biogassubstrat: Dauererhebungen in Durchflussfermentern
Projekt
Förderkennzeichen: 5559
Laufzeit: 01.01.2016
- 31.12.2018
Forschungszweck: Angewandte Forschung
Die Kulturpflanze Amarant wurde bisher überwiegend zu Zwecken der Nahrungsmittelproduktion genutzt. Aufgrund der bisher kaum züchterischen Anpassung dieser Kultur kann es beim Anbau im gemäßigten Klima zu einigen Schwierigkeiten kommen (Aufhammer, 2000). Erste Ergebnisse aus verschiedenen Versuchen haben jedoch gezeigt, dass Amarant durchaus ein großes Ertragspotential aufweist und somit als Substratlieferant oder Cosubstrat für Biogasanlagen in Zukunft eine Rolle spielen kann (Sitkey et al., 2013). Wenige Selektionszyklen könnten ausreichen, um Amarant an unser Klima anzupassen. Hinzu kommt das angenehme Erscheinungsbild, welches die Akzeptanz des Anbaus bei der Bevölkerung fördert.
Ein durch das Bayerische Staatsministerium für Ernährung, Landwirtschaft und Forsten gefördertes Projekt am TFZ (Amarant als spurenelementreiches Biogassubstrat: Selektion zur Erarbeitung praxis-tauglicher Amarantlinien für bayerische Standortbedingungen „AmarantSubstrat“) soll Grundlagen zum gezielten Anbau, Selektion und Vermehrung von Amarantlinien als spurenelementreiches Biogassubstrat erarbeiten sowie die stoffliche Kaskadennutzung, d. h. die getrennte Verwertung von Rispe bzw. Korn und Restpflanze untersuchen und bewerten. Mit diesem wird im vorliegenden Vorhaben engstens kooperiert.
Hinsichtlich der Biogasproduktion ist Mais zwar aufgrund seiner hohen Erträge im Moment die wichtigste Kultur, Mais ist jedoch sehr arm an den für die Methanproduktivität wichtigen Spurenelementen Kobalt, Nickel und Natrium, weswegen schwerwiegende Prozessstörungen entstehen (Munk et al., 2010). In der Praxis müssen dadurch meist industriell erzeugte Spurenelementadditive dem Vergärungsprozess zugefügt werden, um einen Mangel während des Biogasprozesses zu vermeiden (Lebuhn et al., 2010). Die Kulturpflanze Amarant hat bei Versuchen gezeigt, dass sie im Vergleich zu anderen Pflanzen deutlich höhere Konzentrationen der für die methanproduzierenden Mikroorganismen essentiellen Elemente Kobalt und Nickel aufweist (Sauer und Fahlbusch, 2014). Die Zugabe von Amarant zu Maissubstrat könnte somit die Prozessstabilität im Biogasfermenter unterstützen, den Methanertrag positiv beeinflussen, den potentiell risikobehafteten Zukauf von Additiven vermindern oder überflüssig machen und gleichzeitig das Landschaftsbild bereichern.
Durch den hohen Gehalt an den Spurenelementen Co, Ni und Na nimmt Amarant eine besondere Stellung innerhalb der Energiepflanzen ein. Durch diese Ausprägung ist Amarant besonders geeignet, eine ausreichende Versorgung von mais- oder getreidelastig betriebenen Biogasanlagen mit Mikronährelementen durch eine gezielte Zusammenstellung des Substrats aus pflanzlichen Komponenten zu gewährleisten und damit einem Prozesszusammenbruch vorzubeugen. In welchem Ausmaß auf die Zugabe von Spurenelementadditiven verzichtet werden kann, gilt es in Langzeitversuchen im praxisrelevanten Durchflussbetrieb zu prüfen. Dabei sollen auch die neuen molekularbiologischen Frühwarnsysteme vor Prozessstörungen (Lebuhn et al., 2014) zum Einsatz kommen, welche eine Stresssituation der methanogenen Archaeen anzeigen. Insbesondere vor einer Prozessversäuerung wird ein solcher Stress mit diesen bereits einige Wochen vor Reaktion der klassischen nasschemischen Parameter gemessen (Munk et al., 2014).
Um die Effekte einer Vergärung von Amarant im langfristigen Betrieb (30 Monate, Start 2016) prüfen zu können, sollen Durchflussfermenter zur Untersuchung der Umsetzungsstabilität von Reinmais- und Mais-Amarant-Mischungen mit und ohne Spurenelementzugabe betrieben werden (LfL-ILT). Dabei wird auf Amarantbiomasse aus den am TFZ angesiedelten Praxisversuchen zum gezielten Anbau und züchterischen Verbesserung von Amarantlinien zurückgegriffen. Während der gesamten Versuchslaufzeit werden laufende Erhebungen zur Mikro- und Makrobiologie in den Durchflussfermentern durchgeführt, um Effekte der Spurenelementverarmung abzubilden und eine potentielle Stabilisierung des Fermentationsprozesses durch Amarantsubstrat zu untersuchen (LfL-AQU).
Das Projekt der Bayerischen Landesanstalt für Landwirtschaft (LfL), Institut für Landtechnik und Tier-haltung (ILT, Dr. Lichti) sowie der LfL-Abteilung Qualitätssicherung und Untersuchungswesen (AQU, Dr. Lebuhn), ist eng mit den Versuchen zur züchterischen Verbesserung und Adaption von Amarant an hiesige Bedingungen verknüpft.
Zur Untersuchung der Langzeitstabilität des Biogasprozesses bei semikontinuierlicher Beschickung werden Durchflussversuche in Laborfermentern mit einem Nutzvolumen von je 28 L durchgeführt (Gronauer, 2005). Die Fermenter werden kontinuierlich gerührt. Die produzierte Biogasmenge wird erfasst, in einen Gassammelsack geleitet und analysiert. Zudem sind die Laborfermenter mit Temperaturregelung, automatischer Gasmengenaufzeichnung, teilautomatischer Gasanalyse sowie Prozessdatenerfassung und –steuerung ausgestattet und bereits in vielen Projekten erfolgreich geprüft und weiterentwickelt worden.
Im Bereich Mikro- und Molekularbiologie umfassen die Untersuchungen (i) regelmäßige Messungen des „Metabolischen Quotienten“ (MQ) der methanogenen Archaeen (Munk et al., 2012) und (ii) se-quenzierungsbasierte (mcrA/mrtA-Transkripte) Analysen der Gesellschaftszusammensetzung der methanogenen Archaeen. Der MQ indiziert mit einem Anstieg über 3 eine Stresssituation für die methanogenen Archaeen. Die mcrA/mrtA-Transkription ändert sich bei einer Prozessstörung und wird nicht mehr vornehmlich von Methanosaeten und Methanosarcinen sondern von hydrogenotrophen Methanogenen durchgeführt.
Abschnittsübersicht
Fachgebiete
- Verfahrenstechnik
- Nachwachsende Rohstoffe
Förderprogramm
Ausführende Einrichtung
LfL - Abteilung Qualitätssicherung und Untersuchungswesen (AQU)
